Аммиак Физические свойства аммиака

Аммиак – бесцветный газ с резким запахом. Токсичен: раздражает слизистые оболочки, а острое отравление аммиаком приводит к поражению глаз и воспалению легких.

Аммиак хорошо растворим в воде (при 0 ºС один объем воды растворяет до 1200 объемов аммиака). Хорошая растворимость аммиака объясняется образованием водородной связи между молекулами аммиака и воды и гидратов

NH₃  nH₂O различного состава. По причине образования гидратов процесс растворения – экзотермический процесс.

Прим. плотность растворов аммиака понижается с увеличением концентрации аммиака (1%-ный раствор имеет плотность 0,992 г/мл, а 30% – 0,89 г/мл).

Аммиак легко испаряется и при хранении в открытых склянках выветривается.

Получение аммиака

В промышленности аммиак получают синтезом из простых веществ:

кДж, Дж/К

За разработку метода синтеза аммиака из водорода и азота Ф. Габеру в 1918 году присуждена Нобелевская премия.

Прим. Требования: оптимальный баланс между скоростью и выходом.

Равновесие данной реакции при повышении давления и понижении температуры смещается вправо. Несмотря на то, что реакция экзотермическая, для увеличения скорости реакции ее проводят при температуре 400 – 500 ºС (увеличение скорости). Давление в колонне синтеза от 10 – 300 атм (200 атм – увеличение выхода). Катализатором является губчатое железо с добавками оксидов калия, кальция, магния, алюминия и кремния, которые улучшают его механические свойства и увеличивают срок действия (увеличение скорость).

В лаборатории используют 25%-ный раствор аммиака или жидкий аммиак, поступающий с производства в стальных баллонах.

1. В лаборатории небольшое количество аммиака получают при нагревании смеси твердых хлорида аммония и гашеной извести:

Прим. для осушки аммиака используют оксид кальция, хлорид кальция применять нельзя, так как образуется аддукт CaCl₂  8NH₃. Глубокую осушку аммиака проводят растворением в жидком аммиаке металлического калия, который активно реагирует с водой. Из раствора отгоняют аммиак, не содержащий влаги.

2. Аммиак получают при гидролизе нитридов металлов:

Химические свойства аммиака

Химические свойства аммиака обусловлены: 1) образованием водородных связей; 2) неподеленной электронной парой.

1. Аммиак хорошо растворим в воде (по растворимости в воде аммиак превосходит любой другой газ). Формулу растворенного аммиака в воде принято записывать NH₄OH. Но такого соединения не существует, ни в твердой фазе, ни в водном растворе. Известны твердые гидраты состава

NH₃  Н₂О, 2NH₃  Н₂О, NH₃  2Н₂О (молекулы аммиака и воды связаны водородными связями), которые устойчивы при низких температурах. Прим. при повышении температуры гидраты разрушаются с образованием аммиака и воды.

Растворы аммиака лучше всего записывать формулой NH₃ (aq).

Водные растворы аммиака проявляют свойства слабого основания. Но водные растворы аммиака обладают основными свойствами не за счет образования несуществующего соединения NH₄ОН, а вследствие донорной активности атома азота в NH₃.

Прим. Связь О – Н более полярная, чем связь N –Н, диссоциация происходит по более полярной связи, Н⁺ отщепляется от молекулы воды и присоединяется к атому азота (донорно-акцепторный механизм).

Вследствие полярности молекул и высокой диэлектрической проницаемости жидкий аммиак является хорошим неводным растворителем. В неводном растворе аммиак может диссоциировать по типу кислоты:

Но собственная диссоциация жидкого аммиака очень мала и ионное произведение аммиака составляет 2,2  10^-33 при –50 ºС.

Жидкий аммиак – сильно ионизирующий растворитель. Производные NH₄⁺ в жидком аммиаке ведут себя как кислоты (например, сильными кислотами в жидком аммиаке являются NH₄Cl, NH₄NO₃), а производные NH₂^– – как основания (KNH₂, Ba(NH₂)₂). Производные NH₂^– – амиды, а производные NH^2– – имиды. Примеры реакций в жидком аммиаке:

(основание)

(кислота)

(нейтрализация)

(комплекс)

2. наличием неподеленной электронной пары (аммиак может выступать в роли донора). Аммиак реагирует с кислотами, с образованием солей аммония:

3. Аммиак может образовывать комплексные соединения – аммиакаты:

4. В жидком аммиаке растворяются активные металлы – щелочные и щелочноземельные, магний, алюминий. Щелочные металлы реагируют с жидким аммиаком с образованием амида (в присутствии катализатора – платины):

В данной реакции аммиак проявляет свойства окислителя за счет атома водорода. Аналогичная реакция протекает и в газовой фазе. Другие металлы при взаимодействии с газообразным аммиаком образуют нитриды:

5. Аммиак проявляет восстановительные свойства (за счет атома азота в минимальной степени окисления). На воздухе аммиак не горит, но в атмосфере кислорода сгорает с образованием азота и водяных паров:

Может происходить каталитическое окисление аммиака:

Обе реакции протекают самопроизвольно, так как , при горении аммиака образуется свободный азот. В присутствии катализатора (платиновый или платиново-родиевый) протекает вторая реакция с образованием оксида азота (II). Реакция идет при комнатной температуре

Прим. в качестве побочного продукта образуется нитрат аммония: